第一节 激 光
激光又名莱塞 (Laser)
全名是
（ Light amplification by stimulated
emission of radiation）
“辐射的受激发射光放大”
世界上第一台激光器诞生于 1960年
1954年制成了 受激发射的微波放大器
——梅塞 （ Maser）
它们的基本原理都是基于 1916年爱因斯坦
提出的受激辐射理论
自
发
辐
射
21221 )d
d( AN
t
N ?
自发
受
激
吸
收
BB ??
自
发
辐
射
系
数
受
激
吸
收
系
数
E2
E1
IBkNtN 221 )dd( ?受激
BIkNtN ?? 112 )dd( 吸收
自发
辐射
受激
辐射
光波的频率
相位偏振态 无关 全同
一,光的吸收与辐射
受
激
辐
射
E2
E1
E2
E1
受
激
辐
射
系
数 一般情况下
二,粒子数反转和光放大
12 NN ?
受激吸收 受激辐射 自发辐射
介质中的光强 I - kN1 IB + kN2 IB 忽略
1
12
1
2 ??
??
kT
EE
eNN 21 NN ? 0?I?
0?I?粒子数反转态
介质
热平衡
状态
IB)NN(~I 12 ??光强变化
若介质处于粒子数反转态，光在其中传播时得以放大。
说明
电子
碰撞 碰撞
亚稳态
例 He-Ne激光器中 Ne气粒子数反转态的实现
zGII dd ?
G -- 增益系数
增
益
介
质
I I+dI
z
dz
经过介质薄层,光强增量为
GzeII 0?
?? ? zII zGII 0 dd0
I0
I0
zo
I
增益介质,处于粒子数反转态的介质。光传播时被放大。
说明
在增益介质内，光强 I 随传播距离按指数增加。
三, 增益介质中光强随传播距离的变换关系
四, 激光器的基本构成及 激光的形成
激励能源
增益介质
谐振腔
全反
射镜
部分
反射镜
(99?)
谐振腔，增益介质，
激励能源。
1,基本构成部分
2,激光的形成
光束在谐振腔内
来回震荡，在增
益介质中的传播
使光得以放大，
并输出激光。
五, 谐振腔的作用 增益介质
1,限定光的方向
沿轴线的光在增益介质内来
回反射，连锁放大，输出形
成激光。其它方向的光很快逸出谐振腔。
I0 eGL
r1I0 eGLr1I0 e2GL
2,延长增益介质
r2 r1
≤I0
增益介质
阈值条件
1221 ?GLerr
r1r2I0 e2GL
3,光学谐振腔的选频
1）纵模
沿光学谐振腔 纵向 形成的每一种稳定的
在光学谐振腔的作用下可形成 纵模 和 横模
谱线是有一
定的宽度的
光振动（ 驻波 ）称为一个 纵模
?
)( 0?I
)( 0?I
2
)( 0?I
?
?0
??
而为什么 He—Ne激光器输出激光的
Hz 10 5
10 6328, 0
10 3 14
6
8
? ?
?
? ? ?
? ? ?
c
6
14
9
103
105
103.1Δ ?
?
?
??
?
??
?
?
会小到 10 - 15 呢？
?
?Δ
???1.3?10 9 Hz
例如 Ne原子的 0.6328 ?m谱线的频率宽度为
原因, 光在谐振腔两端来回反射要产生干涉
kknL ??2
( k=1,2,3,…, )
?k—真空中的波长
L
k=1
k=2
k=3k
nL
k
2??
n —谐振腔内工作物质的折射率
由 驻波条件 知 往返光程
可以存在的纵模频率为
nL
c
k
c
k
k 2?? ??
相邻两个纵模频率的间隔为
nL
c
k 2?? ?
数量级估计,L～ 1 m
n ～ 1.0
c = 3?108 m?s
Z
8
8
105.1
112
103
2
???
??
?
???
nL
c
k?
20
I
I
I
0
而氦氖激光器 0.6328 ?m 谱线的宽度为
?? =1.3× 109 HZ
在 ??区间中 可以存在的纵模个数为
8
105.1
103.1
8
9
?
?
??
?
??
k
N
?
?
通过缩短腔长和
控制反射镜膜厚
等手段可使输出
纵模个数 减少
I
20
I
I
I0
例如利用 缩短腔长 来加大 ??k
可以使 ??区间中只存在一个纵模频率
则 ??k要增大到 10倍
在 ??区间中可能存在的纵模个数 Ｎ 仅为 1
如上述 He—Ne激光器 L 从 1m缩短到 0.1m
从而获得了线宽极窄的 0.6328 ?m激光
极大地提高了单色性（但损失了光强）
也可以在腔内插入 F─P标准具选频
2） 横模
产生横模的主要原因,谐振腔两端反射镜的 衍
射 作用和初始自发辐射的 多样性
激光光强沿谐振腔 横向 的每一种稳定的 模式
基模 高阶横模
轴
对
称
分
布
旋
转
对
称
分
布
中
心
对
称
旋
转
对
称
某些
激光
横模
的光
强分
布
基横模输出的特点：
没有特殊要求通常都选择基横模输出
?亮度高
?发散角小
?光束横截面上径向光强分布较均匀
基横模光束质量高 高阶横模输出功率大
?横截面上各点的相位相同
空间相干性最好
小结, 激光器的三个主要组成部分
1.激活介质：
2.激励能源：
单色性
有合适的能级结构 能实现粒子数反转
3.光学谐振腔：
保证光放大 使激光有良好的方向性和
使原子激发 维持粒子数反转
四,激光的特点
?空间相干性好 激光波面上各个点可以
1.相干性极好
?时间相干性好
2.方向性极好
投射到月球（ 38万公里）光斑直径仅约
相干长度可达几十公里
做到都是相干的（如基横模）
发散角可小到 ? 10 -4red（ ?0.1?）
2公里 测地 —月距离精度达几厘米
脉冲瞬时功率可达～ 10 14 W
3.亮度和强度极高
太阳B1010
～
光源亮度：
ΩS
pB
ΔΔ
Δ
??
强度, 聚焦状态可达到 217 W / c m10?I
SrmW10 216 ?亮度, B >
?S
?p
??
可产生 108K的高温 引起核聚变
高压
直流电源
工作物质,氖气 激励方式,直流气体放电
1,氦氖激 光器
电子经电场加速后，与 He 碰撞。处于激发态的 He 与
Ne 碰撞，把能量传递给 Ne，使它在亚稳态 （ 3s,2s） 和
激发态 （ 3p,2p） 之间形成反转分布。
六, 几种常见的激光器
红宝石
触 发
高压
直流电源 限流电阻
2,红宝石激光器
工作物质,红宝石中的 Cr+3激励能源,脉冲氙灯
脉冲氙灯发出的光照射红宝石，使得 Cr+3 在亚稳态和基态
之间形成反转分布。
椭圆柱面
脉冲
氙灯
五、应用
?利用激光高强度 良好的聚焦性 （ 平行性 ）
刻制光栅等绘制集成电路图
如芯片电路的准确分割切割 (连续打孔 )：
调节精密电阻
迅速 非接触 可在空气中进行焊接 (烧熔 )：
可加工硬质合金钻石等钻孔 (烧穿 )：
★ 加工：
效率高
激光的应用已遍及科技、工农业、医疗、军事、
生活等各个领域，这里只列举几个方面：
★ 测量,准直、测距等
★ 医疗,激光手术刀 血管内窥镜 治癌等
★ 军事,激光制导 激光炮等
★ 核技术,激光分离同位素
（还利用了频率准确的特点）
激光核聚变
（ 107─109K,氘 ─氚小弹丸）等
激光雷达 （ 分辨率高, 可测云雾 ） 等
?利用激光极好的相干性：
★ 测量,精密测长,测角,测流速 (10-5—104m/s)
定向 (激光陀螺 ) 测电流电压（磁光效应）
准确测定光速 c（定义 1m=c /299752458）
★ 全息技术,全息存储 全息测量 全息电影
全息摄影等
抗干扰性强
★ 探测,微电子器件表面探测 （激光 ─原子力
显微镜可测 25个原子厚度的起伏变化 )
单原子探测 （利用光谱分析能测出 1020
个原子中的一个原子）
★ 激光光纤通讯,载波频率高（ 1011─1015Hz）
信息容量大 清晰 功耗小
分子雷达
（可探测活细胞内的新陈代谢过程）
实验中采用大功率 (1014KW)钕玻璃激光器
核聚变实验的六路真空靶室
C.H.Townes
A.M.Prokhorov
N.G.Basov
汤斯 1954年在量子电子学研究中实现了氨分子的粒子数反转，研制了
微波激射器和激光器；普罗霍洛夫和 巴索夫 1958年几乎同时 在量子电子学
的基础研究中，根据微波激射器和激光器原理研制了振荡器和放大器。以
上工作导致了激光器的发明。
The Nobel Prize in Physics 1964
激光核聚变
这是激光 NOVA靶室，在靶室内十束激光同时聚向
一个产生核聚变反应的小燃料样品上，引发核聚变。
激光加工 —6KW
CO2 激光加工机
在进行金属表面
涂敷合金粉末的
作业
激光焊接
高能激光（能产生约 5500 oC的高温）
把大块硬质材料焊接在一起
用脉冲的染料激光（波长 585nm）处理皮肤色素沉着
处理前 处理后
用激光使脱落的视网膜再复位
（目前已是常规的医学手术）
激光又名莱塞 (Laser)
全名是
（ Light amplification by stimulated
emission of radiation）
“辐射的受激发射光放大”
世界上第一台激光器诞生于 1960年
1954年制成了 受激发射的微波放大器
——梅塞 （ Maser）
它们的基本原理都是基于 1916年爱因斯坦
提出的受激辐射理论
自
发
辐
射
21221 )d
d( AN
t
N ?
自发
受
激
吸
收
BB ??
自
发
辐
射
系
数
受
激
吸
收
系
数
E2
E1
IBkNtN 221 )dd( ?受激
BIkNtN ?? 112 )dd( 吸收
自发
辐射
受激
辐射
光波的频率
相位偏振态 无关 全同
一,光的吸收与辐射
受
激
辐
射
E2
E1
E2
E1
受
激
辐
射
系
数 一般情况下
二,粒子数反转和光放大
12 NN ?
受激吸收 受激辐射 自发辐射
介质中的光强 I - kN1 IB + kN2 IB 忽略
1
12
1
2 ??
??
kT
EE
eNN 21 NN ? 0?I?
0?I?粒子数反转态
介质
热平衡
状态
IB)NN(~I 12 ??光强变化
若介质处于粒子数反转态，光在其中传播时得以放大。
说明
电子
碰撞 碰撞
亚稳态
例 He-Ne激光器中 Ne气粒子数反转态的实现
zGII dd ?
G -- 增益系数
增
益
介
质
I I+dI
z
dz
经过介质薄层,光强增量为
GzeII 0?
?? ? zII zGII 0 dd0
I0
I0
zo
I
增益介质,处于粒子数反转态的介质。光传播时被放大。
说明
在增益介质内，光强 I 随传播距离按指数增加。
三, 增益介质中光强随传播距离的变换关系
四, 激光器的基本构成及 激光的形成
激励能源
增益介质
谐振腔
全反
射镜
部分
反射镜
(99?)
谐振腔，增益介质，
激励能源。
1,基本构成部分
2,激光的形成
光束在谐振腔内
来回震荡，在增
益介质中的传播
使光得以放大，
并输出激光。
五, 谐振腔的作用 增益介质
1,限定光的方向
沿轴线的光在增益介质内来
回反射，连锁放大，输出形
成激光。其它方向的光很快逸出谐振腔。
I0 eGL
r1I0 eGLr1I0 e2GL
2,延长增益介质
r2 r1
≤I0
增益介质
阈值条件
1221 ?GLerr
r1r2I0 e2GL
3,光学谐振腔的选频
1）纵模
沿光学谐振腔 纵向 形成的每一种稳定的
在光学谐振腔的作用下可形成 纵模 和 横模
谱线是有一
定的宽度的
光振动（ 驻波 ）称为一个 纵模
?
)( 0?I
)( 0?I
2
)( 0?I
?
?0
??
而为什么 He—Ne激光器输出激光的
Hz 10 5
10 6328, 0
10 3 14
6
8
? ?
?
? ? ?
? ? ?
c
6
14
9
103
105
103.1Δ ?
?
?
??
?
??
?
?
会小到 10 - 15 呢？
?
?Δ
???1.3?10 9 Hz
例如 Ne原子的 0.6328 ?m谱线的频率宽度为
原因, 光在谐振腔两端来回反射要产生干涉
kknL ??2
( k=1,2,3,…, )
?k—真空中的波长
L
k=1
k=2
k=3k
nL
k
2??
n —谐振腔内工作物质的折射率
由 驻波条件 知 往返光程
可以存在的纵模频率为
nL
c
k
c
k
k 2?? ??
相邻两个纵模频率的间隔为
nL
c
k 2?? ?
数量级估计,L～ 1 m
n ～ 1.0
c = 3?108 m?s
Z
8
8
105.1
112
103
2
???
??
?
???
nL
c
k?
20
I
I
I
0
而氦氖激光器 0.6328 ?m 谱线的宽度为
?? =1.3× 109 HZ
在 ??区间中 可以存在的纵模个数为
8
105.1
103.1
8
9
?
?
??
?
??
k
N
?
?
通过缩短腔长和
控制反射镜膜厚
等手段可使输出
纵模个数 减少
I
20
I
I
I0
例如利用 缩短腔长 来加大 ??k
可以使 ??区间中只存在一个纵模频率
则 ??k要增大到 10倍
在 ??区间中可能存在的纵模个数 Ｎ 仅为 1
如上述 He—Ne激光器 L 从 1m缩短到 0.1m
从而获得了线宽极窄的 0.6328 ?m激光
极大地提高了单色性（但损失了光强）
也可以在腔内插入 F─P标准具选频
2） 横模
产生横模的主要原因,谐振腔两端反射镜的 衍
射 作用和初始自发辐射的 多样性
激光光强沿谐振腔 横向 的每一种稳定的 模式
基模 高阶横模
轴
对
称
分
布
旋
转
对
称
分
布
中
心
对
称
旋
转
对
称
某些
激光
横模
的光
强分
布
基横模输出的特点：
没有特殊要求通常都选择基横模输出
?亮度高
?发散角小
?光束横截面上径向光强分布较均匀
基横模光束质量高 高阶横模输出功率大
?横截面上各点的相位相同
空间相干性最好
小结, 激光器的三个主要组成部分
1.激活介质：
2.激励能源：
单色性
有合适的能级结构 能实现粒子数反转
3.光学谐振腔：
保证光放大 使激光有良好的方向性和
使原子激发 维持粒子数反转
四,激光的特点
?空间相干性好 激光波面上各个点可以
1.相干性极好
?时间相干性好
2.方向性极好
投射到月球（ 38万公里）光斑直径仅约
相干长度可达几十公里
做到都是相干的（如基横模）
发散角可小到 ? 10 -4red（ ?0.1?）
2公里 测地 —月距离精度达几厘米
脉冲瞬时功率可达～ 10 14 W
3.亮度和强度极高
太阳B1010
～
光源亮度：
ΩS
pB
ΔΔ
Δ
??
强度, 聚焦状态可达到 217 W / c m10?I
SrmW10 216 ?亮度, B >
?S
?p
??
可产生 108K的高温 引起核聚变
高压
直流电源
工作物质,氖气 激励方式,直流气体放电
1,氦氖激 光器
电子经电场加速后，与 He 碰撞。处于激发态的 He 与
Ne 碰撞，把能量传递给 Ne，使它在亚稳态 （ 3s,2s） 和
激发态 （ 3p,2p） 之间形成反转分布。
六, 几种常见的激光器
红宝石
触 发
高压
直流电源 限流电阻
2,红宝石激光器
工作物质,红宝石中的 Cr+3激励能源,脉冲氙灯
脉冲氙灯发出的光照射红宝石，使得 Cr+3 在亚稳态和基态
之间形成反转分布。
椭圆柱面
脉冲
氙灯
五、应用
?利用激光高强度 良好的聚焦性 （ 平行性 ）
刻制光栅等绘制集成电路图
如芯片电路的准确分割切割 (连续打孔 )：
调节精密电阻
迅速 非接触 可在空气中进行焊接 (烧熔 )：
可加工硬质合金钻石等钻孔 (烧穿 )：
★ 加工：
效率高
激光的应用已遍及科技、工农业、医疗、军事、
生活等各个领域，这里只列举几个方面：
★ 测量,准直、测距等
★ 医疗,激光手术刀 血管内窥镜 治癌等
★ 军事,激光制导 激光炮等
★ 核技术,激光分离同位素
（还利用了频率准确的特点）
激光核聚变
（ 107─109K,氘 ─氚小弹丸）等
激光雷达 （ 分辨率高, 可测云雾 ） 等
?利用激光极好的相干性：
★ 测量,精密测长,测角,测流速 (10-5—104m/s)
定向 (激光陀螺 ) 测电流电压（磁光效应）
准确测定光速 c（定义 1m=c /299752458）
★ 全息技术,全息存储 全息测量 全息电影
全息摄影等
抗干扰性强
★ 探测,微电子器件表面探测 （激光 ─原子力
显微镜可测 25个原子厚度的起伏变化 )
单原子探测 （利用光谱分析能测出 1020
个原子中的一个原子）
★ 激光光纤通讯,载波频率高（ 1011─1015Hz）
信息容量大 清晰 功耗小
分子雷达
（可探测活细胞内的新陈代谢过程）
实验中采用大功率 (1014KW)钕玻璃激光器
核聚变实验的六路真空靶室
C.H.Townes
A.M.Prokhorov
N.G.Basov
汤斯 1954年在量子电子学研究中实现了氨分子的粒子数反转，研制了
微波激射器和激光器；普罗霍洛夫和 巴索夫 1958年几乎同时 在量子电子学
的基础研究中，根据微波激射器和激光器原理研制了振荡器和放大器。以
上工作导致了激光器的发明。
The Nobel Prize in Physics 1964
激光核聚变
这是激光 NOVA靶室，在靶室内十束激光同时聚向
一个产生核聚变反应的小燃料样品上，引发核聚变。
激光加工 —6KW
CO2 激光加工机
在进行金属表面
涂敷合金粉末的
作业
激光焊接
高能激光（能产生约 5500 oC的高温）
把大块硬质材料焊接在一起
用脉冲的染料激光（波长 585nm）处理皮肤色素沉着
处理前 处理后
用激光使脱落的视网膜再复位
（目前已是常规的医学手术）
